(57)【要約】  発電方法が開示されている。この方法は、水フィードストリームを塩地層中に注入して、そこに含まれる塩を溶解し、次いで、塩地層から前記溶解塩を含有する塩水ストリームを抽出することを含む。この方法は、また、水は通過させるが塩は通過させない半透膜を含み、そこで前記半透膜の一方の側に前記塩水ストリームを通過させ、前記膜の他方の側に低い塩分濃度のストリームを通過させる浸透圧発電ユニットを通過させることにより、前記塩水ストリーム中に存在する潜在的浸透圧エネルギーを電気に変換させることを含む。この方法は、また、前記低い塩分濃度のストリームに由来するアウトプットストリームを水フィードストリームとして使用することを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記工程を含む発電方法：
−水フィードストリームを塩地層中に注入して、そこに含まれる塩を溶解し、次いで、塩地層からその溶解塩を含有する塩水ストリームを抽出する工程;及び
−水は通過させるが塩は通過させない半透膜を含み、そこで前記半透膜の一方の側に前記塩水ストリームを通過させ、前記膜の他方の側に低い塩分濃度のストリームを通過させる浸透圧発電ユニットを通過させることにより、前記塩水ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを電気に変換させる工程；及び
−前記低い塩分濃度のストリームに由来するアウトプットストリームを前記水フィードストリームとして使用する工程。
【請求項２】
塩地層が、塩ドーム又は岩塩地層である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
水フィードストリームを注入する工程及び塩水ストリームを抽出する工程を用いて、天然ガスの貯蔵のために、塩地層において塩洞窟を生成又は維持する、請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
水フィードストリームを注入する工程及び塩水ストリームを抽出する工程を用いて、産業用、地方自治体用又は家庭用の塩を製造する、請求項１〜３のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項５】
前記浸透圧発電ユニットによって生成された電気の少なくとも一部を使用して、前記水フィードストリームを注入し、前記塩水ストリームを抽出する工程に電力を供給する、請求項１〜４のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項６】
浸透圧発電ユニットが、水は通過させるが塩は通過させない半透膜をそれぞれ含む２つ以上の浸透ユニットを含む、請求項１〜５のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項７】
１つの浸透ユニットからのアウトプットストリームが、第２の浸透ユニットのためのインプットストリームとして用いられる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
塩水ストリームが、少なくとも１０重量％の塩分含量を有する、請求項１〜７のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項９】
塩水ストリームが、少なくとも１５重量％の塩分含量を有する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
塩水ストリームが、少なくとも２５重量％の塩分含量を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
水フィードストリームが、海水、川又は湖から得られる淡水又は汽水、又は産業又は地方自治体の供給源から得られる廃水である、請求項１〜１０のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項１２】
浸透圧発電ユニットが、可動プラットフォーム上に取り付けられている、請求項１〜１１のいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項１３】
下記を含む発電システム：
塩地層への接続に適した油圧系統であって、前記塩地層への水フィードストリームを供給して、前記塩地層から塩水ストリームを抽出するように配置された油圧系統、及び
水フィードストリームと前記塩水ストリームとの間の塩分濃度の差異を利用する圧力遅延浸透（ＰＲＯ）を介して、電気を発生させるように配置された浸透圧発電ユニット。
【請求項１４】
前記発電システムが、可動プラットフォーム上に搭載されている、請求項１３に記載の発電システム。
【請求項１５】
前記油圧系統が、低塩分水源に接続するのに適しており、前記水源から低塩分ストリームを抽出し、前記低塩分ストリームを浸透圧発電ユニットに通過させるように配置されている、請求項１４に記載の発電システム。
【請求項１６】
水フィードストリームが、低塩分ストリームに由来する、請求項１５に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気を発生させる方法に関する。特に、本発明は、塩地層（salt formations）の溶解採鉱（solution mining）において使用される流体ストリーム（fluid streams）からの電気の生成、及び溶解採鉱プロセス中にエネルギーを採取するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、化石燃料に頼らない、新規で再生可能なエネルギー源に、多くの努力が向けられている。
【０００３】
そのような研究領域の１つは、圧力遅延浸透（pressure retarded osmosis）（ＰＲＯ）として知られるプロセスである。このプロセスでは、より濃縮された溶液から、より濃縮されていない溶液を分離するために半透膜が使用される。この膜は、浸透によって、より低濃度の（低浸透圧）溶液から、より高濃度の（高浸透圧）溶液に、溶媒を通過させ、これにより、密閉空間において増加する容量のために溶媒が拡散する側の膜の圧力が上昇する。この圧力は電気を発生させるために利用できる。少数のＰＲＯプラントが世界各地で稼動しているが、これらは、一般に、浸透現象の駆動体（driver）として、塩分濃度の差異を利用する。典型的には、より低濃度溶液のフィードストリームとして川や湖からの淡水を、そしてより高濃度溶液として海水を、使用する。Helfer et al, J. Membrane Sci. 453(2014), 337-358は、ＰＲＯを説明するレビュー記事である。これらのパイロット規模のプラントでは、達成される電力密度（power densities）が低いため、そのプロセスは経済的でないことが判明している。約５Ｗ／ｍ２膜の電力密度（a power density）が、ＰＲＯが経済的に実行可能になり得る発電レベルであることを示していることが、示唆されている。実験室外では、既存の膜技術を用いてこのレベルの電力密度を河川水／海水混合方式で達成することは一般的に不可能であった。
【０００４】
浸透現象を含むプロセスにおいて、地下地層（underground formations）中に見出されるエネルギーを利用するための多くの試みがなされている。ＷＯ２０１３／１６４５４１は、より濃縮された溶液が「生産水（production water）」であり、より濃縮されていない溶液が淡水又は海水である、直接浸透（direct osmosis）による発電方法を記述している。生産水は、炭化水素製造中に炭化水素ストリームから分離して得られる水である。また、ＷＯ２０１３／１６４５４１は、地下地層から得られる塩水ストリームがより濃縮された溶液として使用できることを記載している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２０１３／１６４５４１
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Helfer et al, J. Membrane Sci. 453(2014), 337-358
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
より効率的な浸透圧発電プロセスを提供することが有利であろう。
【０００８】
再生可能エネルギー源への転換が望まれる一方で、少なくとも化石燃料はエネルギーミックスの重要な部分のままであるだろうことは明らかである。従って、そのような燃料を貯蔵するための貯蔵施設が求められるままであろう。これは、特に、米国及び他の地域における、シェール層（shale formations）からの天然ガスの最近の発見及び広範な採鉱の観点から、天然ガスを貯蔵するために特にそうである。
【０００９】
天然ガス貯蔵の１つの既知の方法は、地下の塩地層中に、例えば地下の塩ドーム（salt dome）又は岩塩地層（rock salt formations）中に、大きな洞窟（caverns）を作り出すことである。これらの洞窟は、溶解採鉱（solution mining）として知られるプロセスによって作成される。典型的には、溶解採鉱は、大量の（淡）水を地下の塩地層中に注入することを含む。塩は、その後、その水によって溶解され、得られた高塩分水又は飽和塩水が地表に戻される。溶解採鉱された空洞は、経時的に徐々に収縮し、空洞を維持するために溶解採鉱プロセスを定期的に繰り返すことができる。溶解採鉱には、天然ガス貯蔵洞窟の作成に加えて、他の用途があることは理解されよう。例えば、溶解採鉱は、下流の用途に使用する水溶性ミネラルを抽出する手段として使用することができる。
【００１０】
より効率的な溶解採鉱プロセスを提供することが有利であろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一つの側面において、本発明は、下記工程を含む発電方法を提供する：
−水フィードストリーム（an aqueous feed stream）を塩地層（a salt formation）中に注入して、そこに含まれる塩を溶解し、次いで、塩地層からその溶解塩を含有する塩水ストリーム（a saline stream）を抽出する工程;及び
−水は通過させるが塩は通過させない半透膜を含み、そこで前記半透膜の一方の側に前記塩水ストリームを通過させ、前記膜の他方の側に低い塩分濃度のストリームを通過させる浸透圧発電ユニット（an osmotic power unit）を通過させることにより、前記塩水ストリーム中に存在する潜在的浸透エネルギーを電気に変換させる工程;及び
−前記低い塩分濃度のストリームに由来するアウトプットストリームを前記水フィードストリームとして使用する工程。
【００１２】
他の側面において、本発明は、下記を含む発電システムを提供する：
塩地層への接続に適した油圧系統（a hydraulic system）であって、前記塩地層への水フィードストリームを供給して、前記塩地層から塩水ストリームを抽出するように配置された油圧系統、及び
水フィードストリームと前記塩水ストリームとの間の塩分濃度の差異を用いる圧力遅延浸透（ＰＲＯ）を介して、電気を発生させるように配置された浸透圧発電ユニット。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】塩地層を溶解採鉱することによって生成された塩水が最初に浸透圧発電ユニットを通過する本発明の一実施態様の概略図を示す。
【図２】複数の浸透ユニットが使用されている図１の変形例を示す。
【図３】代替的インプットストリームを用いた図２の変形例を示す。
【図４】代替的アウトプットストリームを用いた図３の変形例を示す。
【図５】図１の浸透圧発電ユニット６を示す。
【図６】図１のプロセスを使用するプロセスユニットを示す。
【００１４】
発明の詳細な説明
本発明方法は、改良された溶解採鉱プロセス及び／又は改良された発電プロセスを提供することができる。
【００１５】
本発明方法では、溶解採鉱プロセスにより生成される塩水ストリームから、浸透圧発電プロセスの手段によって潜在的浸透エネルギーを抽出するために、溶解採鉱プロセスのインプットストリームとアウトプットストリームとの間の塩分濃度の差を利用する。水フィードストリーム又はより低い塩分濃度のフィードストリームと呼ばれ得る、溶解採鉱プロセスのインプットストリームは、塩地層に入る前に浸透圧発電ユニットに通される。塩水ストリームである溶解採鉱プロセスからのアウトプットストリームは、塩地層を出た後、浸透圧発電ユニットを通過する。浸透圧発電は、高塩分ストリームと低塩分ストリームとの間の塩分濃度差を利用する。溶解採鉱プロセスのインプットストリームは、低塩分ストリームとして使用されてもよいし、低塩分ストリームに由来してもよい。溶解採鉱プロセスのアウトプットストリームは、高塩分ストリームとして使用されてもよいし、高塩分ストリームの起点を形成してもよい。このようにして、溶解採鉱プロセスのインプットストリームは、浸透圧発電ユニット内に含まれる半透膜の一方の側を流れ、一方、溶解採鉱プロセスのアウトプットストリームは他方の側に流れる。
【００１６】
溶解採鉱プロセスのインプットストリームとアウトプットストリームとの間の塩分濃度差を用いることは、いくつかの点で有利であり得る。
【００１７】
浸透圧発電ユニットによって生成された電力は、溶解採鉱プロセスを駆動するために、完全に又は部分的に使用することができる。溶解採鉱プロセスが外部電源に依存することを排除又は低減することにより、より離れた場所及び／又はより多くの可動溶解採鉱装置における溶解採鉱が促進され得る。いくつかの状況において、浸透圧発電ユニットは、他の場所で使用され得る余剰エネルギーを生成し得る。
【００１８】
溶解採鉱によって生成された塩水ストリームは、例えば海水と比較して、より高い塩濃度をもたらす。浸透圧発電ユニットの高塩分インプットストリームにおける塩濃度の上昇は、圧力遅延浸透（ＰＲＯ）中のより高い出力密度を可能にし得る。溶解採鉱プロセスのインプットストリームとアウトプットストリームとの間の大きな浸透圧差によりもたらされるより高い出力密度に加えて、溶解採鉱からの塩水ストリームは、浸透膜が汚れるリスクをより低くし、及び／又は海水又は他の先行技術の高塩分源と比較して、必要とされる前処理の量を減じる。それは、塩地層からの塩水ストリームが一般的により広い環境から抽出されるためである。従って、溶解採鉱プロセスと浸透圧発電ユニットとを結合することにより、より効率的な浸透圧発電プロセスがもたらされ得る。
【００１９】
溶解採鉱プロセス及び浸透圧発電プロセスの両者は、加圧流体ストリームを必要とする。溶解採鉱プロセスは、塩地層に注入されるより低い塩分濃度のフィードストリームの循環流と、塩地層から抽出されるより高い塩分濃度のアウトプットストリームとを必要とする。浸透圧発電プロセスは、膜の低塩分側と高塩分側との間の圧力差を必要とする。浸透圧発電プロセスを溶解採鉱プロセスと組み合わせることにより、浸透圧発電プロセスのためのフィードストリームを加圧する必要性が低減又は除去される。何故なら、前記ストリームは溶解採鉱プロセスの一部として既に加圧されているからであり、それによって、発電プロセスの効率が増加する。
【００２０】
さらに、浸透圧発電プロセスの間に膜を横切って溶媒を移動させると、塩地層から抽出された塩水ストリームが希釈される結果となるであろう。これにより、廃棄ストリームの処分を容易にでき、例えば環境上の考慮事項により、高塩分ストリームが隣接する水域に戻らないようにすることができるであろう。従って、溶解採鉱プロセスと浸透圧発電ユニットとを結合することにより、溶解採鉱廃棄物の処分をより容易にすることができる。
【００２１】
最後に、本発明において溶解採鉱プロセスと浸透圧発電プロセスとを組合せる方法は、各プロセスが別々に実施される場合と比較して、消費される淡水の全体量を減少させることができる。
【００２２】
本発明方法は、溶解採鉱プロセスを使用することができる。溶解採鉱プロセスへのインプットは、水フィードストリームであろう。水フィードストリームの特性は、塩地層からの塩がそのフィードストリームに溶解するようなものでなければならないことが理解されるであろう。水フィードストリームは、その中に含有されている塩を溶解するために、塩地層に注入されることができる。溶解採鉱プロセスのアウトプットは、塩地層から溶解した塩を含有する塩水ストリームであろう。
【００２３】
本発明方法は、浸透圧発電工程において、塩地層から得られた塩水ストリームを使用することができる。塩水ストリームは、一般に、発電工程を実施する前に、必要なあらゆる前処理工程の対象となる。例えば、ストリームの正確な性質に応じて、他の従来のプロセスと同様に、固体物質を除去するための濾過が必要な場合がある。
【００２４】
塩水ストリームの塩分含量は、飽和までのいかなるものであってもよい。好ましくは、塩分含量は、少なくとも１０重量％、好ましくは少なくとも１５重量％、好ましくは少なくとも２０重量％、特に少なくとも２５重量％である。溶解採鉱によって生成された塩水ストリームは、塩化ナトリウムが優勢である広範な多種多様の溶解塩を含有し得ること、「塩分含量」は全塩分含量を指すことが理解されるであろう。このようなストリーム中に存在する塩の正確な性質は重要ではない。同様に、（より）高い塩分及び（より）低い塩分という用語は、本明細書では、相当する「塩分含量」を有するストリームを指すために使用される−このようなストリーム中に存在する塩の正確な性質は重要ではない。
【００２５】
塩地層は、塩ドーム又は岩塩地層であり得る。塩地層は、地下であってよい。塩地層は、１つ又は複数のボアホール（bore holes）を介してアクセスすることができる。水フィードストリームは、ボアホールを介して塩地層中に注入することができる。塩水ストリームは、ボアホールを介して塩地層から抽出することができる。フィードストリーム及び塩水ストリームは、従来の方法で、塩地層中に注入され、塩地層から抽出され得る。
【００２６】
溶解採鉱プロセスは、天然ガスの貯蔵のため、塩地層中に、塩洞窟（a salt cavern）を生成及び／又は維持するために使用され得る。溶解採鉱プロセスは、産業、地方自治体又は家庭の目的及び用途のための塩を抽出するために使用され得る。
【００２７】
浸透圧発電プロセスは、浸透によって駆動され、潜在的浸透エネルギーを電気に変換する。浸透圧発電ユニットは、潜在的な浸透エネルギーを電気に変換する装置である。任意の適切な浸透圧発電ユニットを本発明方法で使用することができる。そのようなユニットの重要な特徴は、水の通過は可能だが、溶解した塩の通過は許容しない半透膜の存在である。このような膜は市販されており、任意の適切な膜を使用することができる。さらに、新規なタイプの膜、例えば、水の通過は可能であるが他の物質を通さないタンパク質であるアクアポリンを含む、脂質又は両親媒性ポリマーマトリックスに基づいた膜、を使用することができる。このような膜は、例えば、ＷＯ２００４／０１１６００、ＷＯ２０１０／０９１０７８、ＵＳ２０１１／００４６０７４及びＷＯ２０１３／０４３１１８に記載されている。その他の新規なタイプの膜としては、グラフェンをベースとする膜、例えば、Cohen-Tanugi et al, Nano Lett. 2012, 12(7), pp. 3602-3608及びO’Hern et al, Nano Lett. 2014, 14(3), pp. 1234-1241に記載されているものを、包含する。２つ以上の膜が存在してもよく、異なるタイプの膜の組み合わせが用いられてもよい。従って、浸透圧発電ユニットは、それぞれの浸透ユニットが半透膜を含む２つ以上の浸透ユニットを含むことができる。浸透圧発電ユニットは、少なくとも１つの膜と共に、浸透によって生成された圧力又は流れを電気に変換する手段を含むであろう。典型的には、この手段は、発電機に接続されたタービンであろうが、任意の適切な手段を使用することができる。
【００２８】
溶解採鉱プロセスによって生成した塩水ストリームと共に、浸透圧発電プロセスは、塩地層から抽出した塩水ストリームより低い塩分濃度を有する水ストリームであるフィードストリームを必要とする。このより低い塩分濃度のストリームは、任意の供給源から得ることができるが、典型的には、海水、例えば川又は湖から得られる淡水又は汽水、又は産業若しくは地方自治体の供給源から得られる廃水である。本発明方法の経済性は、塩地層が、必要なストリームの調達及び廃棄ストリームの処理の両者が何れも容易かつ安価である、海、川又は湖に隣接して設置されている場合に特に有利である。本明細書を通じて、文脈上他の意味を必要としない限り、「より低い塩分濃度」は塩分濃度ゼロを含むと理解されるべきである。
【００２９】
従って、浸透圧発電工程への初期のインプットは、１つのより高い塩分濃度のストリーム（塩水ストリーム）と１つのより低い塩分濃度のストリームである。膜を通過した後、第１のストリーム（初期のより高い塩分濃度）は塩分濃度が減少し、第２のストリーム（初期のより低い塩分濃度）は塩分濃度が増加するであろう。膜の第１の通過分からのアウトプットストリームは、平衡時において、両者とも、元の塩水ストリームよりも低い塩分濃度を有し、及び元のより低い塩分濃度のストリームよりも高い塩分濃度を有し、それらの２つのストリームは等しい塩分濃度を有するようになるであろうが、実際には達成されそうにない。従って、いずれかのアウトプットストリームは、元の膜の第２の通過分用の第１のストリーム又は第２のストリームのいずれかとして、又は第２の膜の第１のストリーム又は第２のストリームのいずれかとして、再利用することができる。これらの再利用ストリームは、単独で使用されてもよく、又は他のインプットストリームと合流されてもよい。塩地層からの塩水ストリーム中の高濃度の塩は、多段階浸透圧発電の利用を容易にすることができる。各工程は、各通過分の初期インプットストリーム間の塩分濃度の差に依存して、異なる圧力及び／又は流量（flux）の設定を有することができる。このように圧力及び／又は流量の設定を調整することは、特に多数の工程が塩地層からの塩水ストリームに使用される場合に、プロセスの効率を高めることができる。浸透ユニットからの流出ストリームが、初期のより低い塩分濃度のインプットストリームより高い塩分濃度を有する限り、追加の浸透ユニットを稼働することが可能である。最適サイクル数は、ストリームの初期内容物、膜の効率、及び選択された流速に依存するだろう。
【００３０】
浸透圧発電ユニットは、２つ以上の浸透ユニットを含むことができ、各浸透ユニットは、水の通過は可能であるが塩の通過は不可能である半透膜を含む。各浸透ユニットからのアウトプットは、膜の第１の（初期のより高い塩分濃度）側からの第１の流出ストリームであり、膜の第２の（初期のより低い塩分濃度）側からの第２の流出ストリームである。これらのストリームは、別々に処理されてもよく、又は少なくとも部分的に合流されてもよい。
【００３１】
浸透圧発電ユニットからのアウトプットは、１つ以上のアウトプットストリームであろう。浸透圧発電ユニット内の浸透ユニットの数及び各浸透ユニットからの流出ストリームが処理される方法に応じて、これらのアウトプットストリームの特性は変化し得る。
【００３２】
浸透圧発電ユニットからの少なくとも１つのアウトプットストリームは、元ののより低い塩分濃度のストリームに由来するであろう。このストリームは、より高い塩分濃度を有するが、まだ塩地層から塩を溶解することができる。このストリームは、塩地層中に注入される水フィードストリームとして使用される。
【００３３】
浸透圧発電ユニットからの１つのアウトプットストリームは廃棄ストリームであってもよい。廃棄ストリームは、元のより低い塩分濃度のストリームに由来するアウトプットストリームよりも高い塩分濃度を有することができる。廃棄ストリームは、必要に応じて、例えば、隣接する海、河川又は湖に排出することによって廃棄することができる。隣接する水域への許容排出濃度に依存して、システム内の浸透ユニットの数は、許容される塩濃度が廃棄ストリーム中で得られるまで変化させることができる。
【００３４】
本発明方法の効率は、塩水ストリームの初期の温度及び圧力、並びに該ストリームが含む塩の量及び性質に依存するだろう。方法の効率を決定するもう１つの重要な特徴は、半透膜の性能であり、最適化は、膜を通って得られる水の流量と、膜が塩を排除できる効率との２つの要因の組み合わせに依存するだろう。前記した、複数の浸透ユニットの使用も又、方法の全体的な効率に影響し得る。
【００３５】
水フィードストリームを注入する工程、塩水ストリームを抽出する工程及び潜在的浸透圧エネルギーを変換する工程が同時に行われることは、理解されるであろう。
【００３６】
本発明は、発電システムを提供することができる。発電システムは、油圧系統（a hydraulic system）を含むことができる。発電システムは、浸透圧発電ユニットを備えることができる。発電システムは、可動プラットフォーム、例えば道路車両、例えばトラック、重荷重車両（ＨＧＶ）又は同様の車両、又はそのような車両と共に使用するためのトレーラに搭載することができる。浸透圧発電ユニット及び／又は油圧系統を含む発電システムを可動プラットフォーム上に取り付けることは、電力供給が制限されている場所での溶解採鉱を容易にすることができる。この方法は、可動プラットフォーム上に搭載された発電システムを、地下の塩地層を有する第１の場所に移動させることを含むことができる。本方法は、第１の場所で本発明方法を実施することを含むことができる。本方法は、可動プラットフォーム上に搭載された発電システムを、地下の塩地層を有する第２の異なる場所に移動させ、第２の場所で本発明方法を実施することを含むことができる。
【００３７】
本発明の装置は、溶解採鉱システムを含むことができる。溶解採鉱システムは、溶解採鉱プロセスを実行するための他の従来の手段と共に、１つ以上のポンプ及び制御システムを備えることができる。溶解採鉱システムの少なくとも一部、例えば、１つ以上のポンプ及び／又は制御システムを可動プラットフォームに搭載することができる。
【００３８】
塩地層が地下の塩地層である場合、浸透圧発電ユニットは地上に配置されてもよい。浸透圧発電ユニットは、例えば、可動プラットフォーム上に設置することができる。
【００３９】
本発明方法は、浸透圧発電ユニットが電気を生成するので、発電方法として説明され得ることが理解されるであろう。生成される電気の量は、プロセスパラメータに応じて変化することが理解されよう。浸透圧発電ユニットは、溶解採鉱プロセスを稼働するのに十分な電力を供給でき、及び他の場所で使用するために余剰を供給できるか、又は溶解採鉱プロセスを稼働するのに丁度十分な電力を供給できるか、又は溶解採鉱プロセスを実行するために、浸透圧発電ユニットによって供給される電力に加えて、外部電力が必要になることがある。
【００４０】
図１に、本発明の一実施態様を概略的に示す。図１において、塩地層１から抽出された塩水ストリーム２は、１つ以上の前処理工程３に通され、得られたストリーム４は、浸透圧発電ユニット６に送られ、そこで、水は通過させるが塩は通過させない半透膜（図示せず）の一方の側に流れるようにされる。水ストリーム７は、ストリーム２及び４よりも低い塩分濃度であり、例えば、海水、川又は湖からの水、又は廃水であってもよい水源５から、１つ以上の前処理工程８に通され、得られたストリーム９は、浸透圧発電ユニット６に送られ、そこで、前記半透膜の他方の側に流れるようにされる。浸透圧発電ユニット６内では、ストリーム９から半透膜を介してストリーム４中に水が流れて、密閉された空間内の容積の増加により圧力が上昇し、この過剰圧力は、図示しない従来の手段によって、最終的に電気に変換される。この水の流れは、初期のより低い塩分濃度のストリーム９の塩分濃度を増加させ、第２のストリーム４の塩分濃度を減少させるであろう。浸透圧発電ユニット６からのアウトプットは、初期のより低い塩分濃度のストリーム（即ち、半透膜を介して流出した水を減じたストリーム９）に由来する水流出ストリーム１０及び前記塩水ストリーム（即ち、半透膜を介して流出した水を加えたストリーム４）に由来する水流出ストリーム１１を形成する。水流出ストリーム１０は、塩地層１に注入され、そこに含まれる塩を溶解し、続いて塩水ストリーム２として抽出される。水流出ストリーム１１は、ストリーム７が抽出された、水源５、例えば海、川又は湖に、処分される。或いは、水流出ストリーム１１の一部または全部を、塩地層への注入のために水流出ストリーム１０と合併することができる。ある実施形態では、水流出ストリーム１１は、産業において使用するために、そこに含まれる塩及び／又は他のミネラルを抽出するためのさらなる処理工程を受けてもよい。
【００４１】
図２は、浸透圧発電ユニット５が直列に接続された複数の浸透ユニット６ａ、６ｂ及び６ｃを含む、図１のプロセスの変形の一部を示す。同様の要素は同様の参照番号で示されている。ここでは、図１の実施態様と異なる図２の実施態様の要素のみについて説明する。各浸透ユニット６ａ、６ｂ及び６ｃは、水の通過は可能であるが、塩の通過は不可能である半透膜（図示せず）を含む。より低い塩分濃度のストリーム９は、３つのストリーム９ａ、９ｂ、９ｃに分岐し、各々は浸透ユニット６ａ、６ｂ、６ｃの異なる１つに行く。元の高い塩分濃度のストリーム４は、第１のユニット６ａの半透膜の一方の側に流れ、一方、元のより低い塩分濃度のストリーム９から得られたより低い塩分濃度のストリーム９ａは他方の側に流れる。より低い塩分濃度のストリーム９ａに由来する、浸透ユニット６ａからのアウトプットストリーム１０ａは、図１に関連して説明したように、塩地層中に注入される。元のインプットストリーム４の塩分含量よりも低い塩分含量を有する浸透ユニット６ａからのアウトプットストリーム１１ａは、第２の浸透ユニット６ｂに供給され、そこで半透膜の一方の側を通過する。ストリーム９から得られる比較的塩分濃度が低い水の第２のインプットストリーム９ｂは、他の側を流れる。ストリーム１１ａと９ｂとの塩分濃度の差は、ストリーム４と９ａとの塩分濃度の差よりも小さいが、まだ塩分濃度に差があり、浸透によって電気を生成することができる。図１に関連して説明したように、より低い塩分濃度のストリーム９ｂに由来する、浸透ユニット６ｂからのアウトプットストリーム１０ｂが、塩地層中に注入される。元のインプットストリーム４の塩分含量よりも低く、且つストリーム１１ａよりも低い塩分含量を有する浸透ユニット６ｂからのアウトプットストリーム１１ｂは、第３の浸透ユニット６ｃに供給され、そこで、比較的低い塩分含量の水である更なるインプットストリーム９ｃからは、半透膜の他方の側を通過する。ストリーム１１ｂと９ｃとの塩分濃度の差は、ストリーム４と９ａとの塩分濃度の差又はストリーム１１ａと９ｂとの塩分濃度の差よりも小さいが、まだ塩分濃度に差があり、浸透によって電気を生成することができる。図１に関連して説明したように、より低い塩分濃度のストリーム９ｃに由来する、浸透ユニット６ｃからのアウトプットストリーム１０ｃが、塩地層中に注入される。図２のプロセスからのアウトプットストリームは、初期のより低い塩分濃度のストリーム９に由来し、地層中に注入された、水流出ストリーム１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、及び塩水ストリーム４に由来する水ストリーム１１ｃである。
【００４２】
図３は、比較的低い塩分濃度の水のインプットストリーム９ａ、９ｂ及び９ｃが、別々のインプットストリーム７ａ、７ｂ及び７ｃとして供給され、それぞれ１つ以上の前処理工程８ａ、８ｂ及び８ｃを受ける、図２の変形例を示す。
【００４３】
図４は、アウトプットストリームが異なる方法で処理される、図３の変形例を示す。浸透ユニット６ａからの流出ストリーム１０ａ及び１１ａが合流され、合流されたストリームの少なくとも一部が、浸透ユニット６ｂへのインプットストリーム１２として供給される。合流されたストリーム１２は、元のインプットストリーム４の塩分含量よりも低い塩分含量を有し、ストリーム１２とストリーム９ｂとの塩分濃度の差は、ストリーム４と９ａとの塩分濃度の差よりも小さいが、まだ塩分濃度に差があり、浸透によって電気を生成することができる。同様に、浸透ユニット６ｂからの流出ストリーム１０ｂ及び１１ｂが合流され、合流されたストリームの少なくとも一部が、浸透ユニット６ｃへのインプットストリーム１３として供給される。
【００４４】
図２、３及び４は、それぞれが半透膜を含む３つの浸透ユニットからなる浸透圧発電ユニット６を示していると理解されるだろうが、任意の適切な数のユニットを使用することができ、その選択は技術的及び経済的な要因の組合せによって、決定される。一般に、塩水ストリーム１の初期の塩分濃度が高いほど、使用可能な浸透ユニットの数が多くなる。
【００４５】
図５は、図１の浸透圧発電ユニット５の更なる詳細を示す。塩地層から抽出された塩水ストリーム２０（例えば、図１のストリーム２又は４であってもよい）は、水は通過させるが塩は通過させない半透膜２２を含む浸透ユニット２１に通され、膜２２の一方の側に流れる。ストリーム２０よりも低い塩分濃度である水ストリーム２３は、浸透ユニット２１に入って、膜２２の他方の側に流れる。矢印２４は、膜２２を横切る浸透による水輸送の方向を示す。この時点でより高濃度の塩を含む、元のインプットストリーム２３に由来するアウトプットストリーム２５は、浸透ユニット２１を出る。この時点でより低濃度の塩を含む、元のインプットストリーム２０からなるアウトプットストリーム２６は、発電機２８を駆動して発電するタービン２７を介して、浸透ユニット２１を出る。
【００４６】
図６は、塩地層１５２と共に使用するための可動生産ユニット１５０の概略図を示す。ボアホール１５３ａ及び１５３ｂは、地表から塩地層１５２内に位置する塩洞窟１５４まで延びている。生産ユニット１５０の流出ポート（outflow port）１５６は、ボアホール１５３ａと接続されており、流入ポート（inflow port）１５７はボアホール１５３ｂに接続されている（これらの接続は図６に破線で示されている）。可動ユニット１５０は、また、浸透圧発電ユニット１５８と、ポンプと、及び明確性のためにここでは示されていない溶解採鉱システムの他の要素とを備える。可動ユニット１５０は、流入ポート１６２及び流出ポート１６４をさらに備え、両方とも水源（図示せず）に接続される。可動ユニット１５０内で、油圧系統は、以下のように、浸透圧発電ユニット１５８を様々なポート（ports）に接続する（図６に破線で示す）;流入ポート１６２は、浸透圧発電ユニットの低塩分インプットに接続され、流出ポート１６４は、浸透圧発電ユニット１５８の廃棄アウトプットと接続され、流出ポート１５６は、低塩分インプットに由来するストリームのための浸透圧発電ユニットアウトプットに接続され、又流入ポート１５７は浸透圧発電ユニット１５８の高塩分インプットに接続されている。必要な方向に流体を移動させるために、ポンプ（図示せず）が油圧系統の様々な箇所に配置されている。
【００４７】
使用時には、低塩分ストリームは、ポンプの作用下で、ポート１６２を介して水源から浸透圧発電ユニット１５８に引き込まれる。低塩分インプットに由来するストリームは、膜（図示せず）を通り過ぎた後、ポンプダウンボアホール１５３ａによって、ポート１５６を介して塩洞窟１５４に注入される。同時に、ほぼ飽和された塩水ストリームは、ポンプの作用下で、ボアホール１５３ｂによって、塩洞窟１５４から引き上げられ、ポート１５７を介して、プロセスユニットに入る。塩水ストリームは、ポート１５７から、浸透圧発電ユニットの高塩分インプットにポンプ輸送される。膜（図示せず）を通り過ぎた後、高塩分インプットに由来するストリームは、ポート１６４を通して排出され、水源に戻される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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